Образование отложений в барабанных паровых котлах

а) Концентрирование примеси в котловой воде

Особенность образования отложений в барабанных паровых котлах за­ключается в том, что по мере испарения воды в подъемных трубах контуров циркуляции в котловой воде (вода в барабане и контурах циркуляции) происходит накапливание примесей. Когда концентрация примесей в котловой воде будет больше растворимости ее , начнется непрерывный рост отложений примеси в трубах контура циркуляции, в первую очередь — в обогреваемых испарительных трубах. Чтобы не допустить этого или, по крайней мере, ограничить рост отложений в приемлемых размерах, в барабанных котлах организуется непрерывная продувка — удаление из котла небольшого количества продувочной воды большой концентрацией примеси . При этом расход питательной воды увеличивается:

(1.30)

где - паропроизводительность котла.

Количество продувочной воды выражают в %, , от паропроизводительности:

Составим схему потоков воды и пара с указанием соответствующих концентраций (рис. 1.16). В барабан с питательной водой за 1 час вносится примеси в количестве , а уходит: с паром , с продувочной водой . Часть примеси образует отложения в трубах . С учетом этих потоков примеси составим солевой баланс барабана:

(1.31)

Принимаем, что внутренние загрязнения недопустимы . С учетом материального баланса (1.30) запишем солевой баланс в относительных единицах (разделим на ):

(1.32)

Определим величину продувки:

(1.33)

Рис.1.16. Принципиальная схема устройства продувки барабанного котла: 1- барабан котла; 2- заборные точки непрерывной продувки; 3- сборный коллектор непрерывной продувки; 4- запорные клапаны; 5- регулировочный клапан продувки; 6- расширитель; 7- отвод пара в деаэратор; 8- отвод продувочной воды; 9- поверхностный теплообменник; 10- теплоиспользующая вода; 11- дренаж охлажденной продувочной воды; 12- периодическая продувка и дренаж котла.

Величина продувки увеличивается при ухудшении качества питательной воды (больше ), при повышении требований к качеству пара ( уменьшается). С увеличением концентрации примеси в продувочной воде величина продувки уменьшается.

Концентрации примеси в паре зависит от выноса влаги , %, и коэффициента распределения , %:

(1.34)

где - суммарный коэффициент выноса примеси, %.

Из рис. 1.16 видно, что для рассматриваемой схемы . Подставляя выражения для и в (1.32), получим

Отсюда

(1.35)

т.е. .

Относительное повышение концентрации примеси в котловой воде за счет испарения воды определим по формуле

(1.36)

Расчеты по этой формуле представлены на рис. 1.17.

Рис. 1.17 Зависимость степени концентрирования примеси в котловой воде от величины продувки и коэффициента выноса.

Из этих данныхвидно, что при (сильные электролиты) эффективность продувки очень высока: при =1% степень концентрирования примеси уменьшилась от бесконечности до 101, а при =5% - до 21. Для продуктов коррозии и слабых электролитов ( - единицы и десятки процентов) эффективность продувки падает.

Снижать можно и за счет улучшения подготовки питательной воды (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Соотношение между концентрацией примеси в котловой воде и питательной воде при разных величинах продувки котла .

Допустимая величина определяется из следующих условий:

- при снижении уменьшается величина загрязнений поверхностей нагрева, улучшается температурный режим труб, увеличивается срок работы до очередной промывки поверхности для удаления с нее отложений;

- уменьшение требует дополнительных затрат на подготовку воды, уплотнение конденсаторов, подогревателей сетевой воды, всех трубопроводов (чтобы не было утечек воды и пара);

- увеличение продувки приводит к частичным потерям теплоты и воды, что снижает экономичность котла: для восполнения потерь воды необходимо готовить добавочную воду высокой чистоты.

В результате принимают следующие величины продувки: на ГРЭС и отопительных ТЭЦ, где общее количество добавочной воды невелико и ее можно готовить по методу химического обессоливания, = 0, 3-1%; при восполнении химически очищенной водой =1-3%; на производственных ТЭЦ с большими потерями воды (по технологии производства на заводах) добавочная вода готовится по упрощенной схеме и продувка может быть до 5%.

Таким образом, увеличение доли продувки приводит к уменьшению примеси в котловой воде (1.35) и в насыщенном паре (1.34), но увеличивает потери теплоты и воды с продувочной водой.

б) Системы ступенчатого испарения

Улучшить качество котловой воды и пара без увеличения общей про­дувки котла можно путем организации внутренней продувки - ступенчатого испарения. Существуют различные способы организации ступенчатого испарения, в частности, внутри барабана устанавливают перегородку (рис. 1.19) с отверстием. Питательная вода поступает в отсек 1, в который включены некоторые контуры циркуляции. Часть воды испаряется в них, при этом образуется пар в количестве (доля его ). Оставшаяся вода через отверстие в перегородке перетекает в отсек 2. В контурах циркуляции, включенных в этот отсек, вода испаряется с образованием пара (). Продувка котла производится из второго отсека, причем .

Рис.1.19. Схема двухступенчатого испарения в барабанном паровом котле.

При увеличении числа ступеней качество котловой воды и пара будут улучшаться. Практически делают 2-3 ступени испарения, причем в качестве второй или третьей ступени во многих случаях используют выносные циклоны (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Схемы ступенчатого испарения в паровых котлах с естественной циркуляцией: а - одноступенчатая; б - двухступенчатая с отсеком в барабане; в - двухступенчатая с выносными циклонами; г - трехступенчатая с выносными циклонами; 1 - барабан; 2 — выносной циклон; 3 - нижний коллектор циркуляционного контура; 4 - верхний коллектор; 5 - опускные трубы; 6 - экранные парогенерирующие трубы 1 ступени испарения; 7 - экранные парогенерирующие трубы 2 ступени испарения; 8 - экранные парогенерирующие трубы 3 ступени испарения; 9 - подвод питательной воды; 10 - отвод пара из барабана; 11 - отвод продувочной воды; 12 - чистый (1) отсек барабана; 13 - солевой (2) отсек барабана; 14 - внутрибарабанная перегородка; 15 - водоперепускная труба из барабана в циклон; 16 - пароперепускная труба из циклона в барабан; 17 - перепускные (пароотводящие) трубы из верхнего коллектора в барабан или выносной циклон (отводится пароводяная смесь).

в) Особенности образования отложений в барабанных котлах

На рис. 1.21 показано изменение растворимости примеси по длине испарительных труб (до - энтальпии пароводяной смеси на выходе из испарительной трубы) и труб пароперегревателя (от до ). График имеет вид, аналогичный для прямоточного котла докритического давления, только диапазон энтальпии от до в барабанном котле не реализуется.

Рис. 1.21. Распределение концентрации примеси (а) и массы отложений (б) по длине испарительных и перегревательных труб в барабанном котле.

Энтальпия и массовое паросодержание определяются кратностью циркуляции в контуре (в целом по котлу).

Допустим, что . За счет упаривания концентрация примеси в котловой воде увеличивается в раз. Возможны три случая (рис. 1.21) соотношения в ступени испарения и растворимости :

а) ; отложение примеси возможно в небольших (относительно) количествах за счет адсорбции на стенке и местного концентрирования примеси в поверхностной пленке жидкости;

б) ; интенсивное отложение примеси в конце участка;

в) ; интенсивное отложение примеси по всей длине трубы.

Чтобы рост отложений в испарительных трубах был минимальным, необходимо выдержать соотношение

(1.43)

В насыщенном паре при уносе влаги концентрация примеси составит: в случае «а» ; в случаях «б» и «в» . Отложение примеси будет происходить, в основном, в начале пароперегревателя (до ). Если , то резко увеличится, что приведет к росту величины отложений в трубах.

Учитывая, что концентрация и интенсивность отложения примеси в контурах циркуляции второй и третьей ступени испарения выше, для снижения температуры стенки их располагают в топочной камере на участках с минимальными тепловыми потоками (боковые стенки, угловые секции).